Σάββατο, 25 Απριλίου 2009

Το όνειρο του Αϊνστάιν

Κάποια στιγμή η σύγχρονη επιστήμη θα πρέπει να κάνει πραγματικότητα το όνειρο του Αϊνστάιν για την ενοποίηση των δυνάμεων της φύσης, που θα σημαίνει συγχρόνως και την ενοποίηση των δύο μεγάλων θεωριών του 20ου αιώνα: της Γενικής Σχετικότητας και της Κβαντομηχανικής.

Τα τελευταία περίπου 100 χρόνια, η βαρυτική θεωρία του Αϊνστάιν που περιγράφεται στη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας έχει γίνει αποδεκτή ως η πιο ικανοποιητική για την περιγραφή της φύσης απ’ ότι όλες οι άλλες. Επί πλέον η θεωρία αυτή περιλαμβάνει με τον καλύτερο τρόπο όλα όσα γνωρίζουν μέχρι σήμερα οι επιστήμονες για την βαρύτητα. Παρ’ όλα αυτά όμως ακόμη και αυτή άφηνε ορισμένα βασικά ερωτήματα αναπάντητα, όπως: η παραμόρφωση του χωροχρόνου συμβαίνει άραγε “αστραπιαία” μέσα σ’ αυτόν ή μήπως μεταδίδεται σαν κίνηση κυμάτων; Η αναζήτηση του Αϊνστάιν για μια απάντηση στην ερώτηση αυτή, τον οδήγησε σ’ ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα. Ακριβώς όπως υπάρχουν κύματα φωτός που μεταφέρουν ενέργεια από μέρος σε μέρος, ο Αϊνστάιν συμπέρανε ότι θα πρέπει να υπάρχουν και βαρυτικά κύματα τα οποία θα μεταφέρουν ενέργεια από τόπο σε τόπο. Θεώρησε δηλαδή ότι οι αυξανόμενες και μειούμενες δυνάμεις βαρύτητας ακτινοβολούνται προς τα έξω σαν τα κύματα που δημιουργούνται από την πτώση μιας πέτρας στην επιφάνεια μιας λίμνης.

Από που όμως θα έρχονταν τέτοια κύματα βαρύτητας; Ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι τα κύματα αυτά θα εκπέμπονταν από διαστημικά σώματα με τεράστιες μάζες που θα υφίσταντο βίαιες μεταβολές. Καταστροφικά κοσμικά συμβάντα, όπως η τελική εκρηκτική κατάρρευση ενός ετοιμοθάνατου άστρου ή η σπειροειδής σύμπτυξη ενός ζεύγους άστρων, θα πρέπει να εκπέμπουν κύματα βαρύτητας στο Διάστημα με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός. Καθώς τα ταχυκίνητα αυτά κύματα έρχονται σε επαφή με διάφορα σωματίδια ύλης στο Διάστημα, η ταχύτητα των σωματιδίων αυτών θα πρέπει να μεταβάλλεται έτσι ώστε και τα σωματίδια αυτά να εκπέμπουν κύματα βαρύτητας. Ακόμη και με αυτή την αλυσιδωτή βαρυτική αντίδραση, ο Αϊνστάιν πίστευε ότι τα κύματα βαρύτητας ήταν τόσο αδύναμα ώστε να μην μπορέσουν να γίνουν ποτέ αντιληπτά.

Όσο ζούσε ο Αϊνστάιν, η θεωρία του για τα βαρυτικά κύματα παρέμενε χωρίς αποδείξεις, αλλά σήμερα οι ενδείξεις οδηγούν τους επιστήμονες να συμπεράνουν ότι ο Αϊνστάιν είχε για άλλη μια φορά δίκιο στους υπολογισμούς του για το Σύμπαν. Παρόλα αυτά ορισμένοι θεωρητικοί επιστήμονες ασχολούνται ακόμη εντατικά με τα ερωτήματα της Σχετικότητας που εκφράζουν μερικές υποθέσεις που πραγματικά θολώνουν το μυαλό. Για να γίνει, λοιπόν, κατανοητή η όλη διαδικασία της γέννησης και της εξέλιξης του Σύμπαντος είμαστε αναγκασμένοι να κοιτάξουμε με προσοχή το εσωτερικό του ατόμου, να περιγράψουμε με λεπτομέρεια τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης (που ίσως αποδειχθεί ότι μπορεί να είναι πέντε!), να αναγνωρίσουμε την αναγκαιότητα της ύπαρξης δέκα χωρικών διαστάσεων στο Σύμπαν (αντί των τριών που γνωρίζουμε σήμερα), ενώ για να εξαλείψουμε την ύπαρξη μιας “ανώμαλης ιδιομορφίας”, με άπειρη θερμότητα και πυκνότητα, στην πρώτη απειροελάχιστη εκείνη στιγμή της γένεσης, θα πρέπει να διερευνήσουμε επίσης και την εκτίμηση ότι το Σύμπαν δημιουργήθηκε από το “τίποτα” και μέσω δύσκολα κατανοήσιμων, ακόμη και για την σύγχρονη επιστήμη, κβαντικών διαδικασιών. Όλα αυτά σημαίνουν ότι κάποια στιγμή η σύγχρονη επιστήμη θα πρέπει να κάνει πραγματικότητα το όνειρο του Αϊνστάιν για την ενοποίηση των δυνάμεων της φύσης. Μια ενοποίηση που θα σημαίνει συγχρόνως και την ενοποίηση των δύο μεγάλων θεωριών του 20ου αιώνα: της Γενικής Σχετικότητας και της Κβαντομηχανικής.

Η έννοια της “ενοποίησης” δεν είναι κάτι καινούργιο, αφού είναι μια προσπάθεια που απασχολεί την επιστήμη τα τελευταία περίπου 350 χρόνια σε μια αναζήτηση που ελπίζουμε ότι θα μας οδηγήσει στη διαμόρφωση μιας θεωρίας η οποία θα περιγράφει τα πάντα στο Σύμπαν με μια ολοκληρωμένη εξίσωση ή ένα σετ εξισώσεων. Πρόκειται δηλαδή για μια «θεωρία των πάντων», η οποία θα επεξηγεί όλα τα φαινόμενα του Σύμπαντος με βάση μια απλή αρχή. Η προσπάθεια αυτή ξεκίνησε ουσιαστικά με τον Νεύτωνα, ο οποίος με την θεωρία του για την βαρύτητα ενοποίησε τη Γη με τον ουρανό αποδεικνύοντας ότι οι ίδιοι φυσικοί νόμοι που διέπουν τις κινήσεις των πλανητών, έχουν επίσης εφαρμογή και στα τεκταινόμενα πάνω στη Γη. Η θεωρία και οι εξισώσεις του Νεύτωνα, άλλωστε, έχουν την ίδια ισχύ που είχαν και στο παρελθόν, αφού ακόμη και σήμερα χρησιμοποιούμε τις εξισώσεις του Νεύτωνα για τον υπολογισμό των ταξιδιών που κάνουν τα διαστημόπλοιά μας στο διαπλανητικό χώρο.

Με τη εμφάνιση όμως του Αϊνστάιν και των ιδεών του περί ορίου της ταχύτητας του φωτός, στη θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας, τα πράγματα διαφοροποιήθηκαν αρκετά. Κι αυτό γιατί η θεωρία του Νεύτωνα υποθέτει ότι η βαρύτητα είναι μια δύναμη που εφαρμόζεται ακαριαία σε οποιαδήποτε απόσταση, ενώ ο Αϊνστάιν υποστήριζε το αντίθετο, ότι δηλαδή τίποτα στο Σύμπαν δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, δηλαδή με ταχύτητα 300.000 χλμ. το δευτερόλεπτο. Ο Αϊνστάιν, δηλαδή, απέδειξε ότι τα βαρυτικά κύματα ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός και όχι ακαριαία και παρότι οι εξισώσεις του Νεύτωνα ισχύουν για τις συμβατικές ταχύτητες, δεν ισχύουν και για ταχύτητες που τείνουν να φτάσουν την ταχύτητα του φωτός, ή σε περιοχές με ισχυρά βαρυτικά πεδία, όπως οι μαύρες τρύπες. Το επίτευγμα αυτό όμως δεν αρκούσε στον Αϊνστάιν. Γι’ αυτό ξεκίνησε μια νέα αναζήτηση για την ενοποίηση της βαρύτητας με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, αφού οι άλλες δύο πυρηνικές δυνάμεις (ισχυρή και ασθενής) δεν ήταν τότε ακόμη γνωστές.

Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη αποτελείται από την ενοποίηση του ηλεκτρισμού με τον μαγνητισμό, που την είχε κάνει μερικές δεκαετίες νωρίτερα ο Σκοτσέζος φυσικός Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ (1831~1879). Οι τέσσερις απλές μαθηματικά εξισώσεις του Μάξγουελ περιγράφουν μ’ ένα ιδιαίτερα “κομψό” τρόπο την σύνδεση του ηλεκτρισμού με τον μαγνητισμό σε μια ενοποιημένη δύναμη. Δύο διαφορετικά είδη φαινομένων που έτσι ενοποιήθηκαν στη δύναμη του “ηλεκτρομαγνητισμού”. Αφού, λοιπόν οι δύο αυτές δυνάμεις, η βαρύτητα και ο ηλεκτρομαγνητισμός, μεταφέρονται με τη ταχύτητα του φωτός, ο Αϊνστάιν σκέφτηκε ότι θα μπορούσε τώρα κι αυτός να ενοποιήσει τη δική του θεωρία με τη θεωρία του Μάξγουελ: την βαρύτητα και τον ηλεκτρομαγνητισμό.

Δεν υπολόγιζε όμως την τεράστια διαφορά ισχύος των δύο αυτών δυνάμεων, αφού ο ηλεκτρομαγνητισμός έχει δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων φορές, μεγαλύτερη ισχύ από τη βαρύτητα. Με αποτέλεσμα η προσπάθεια του Αϊνστάιν μα είναι εξαρχής καταδικασμένη σε αποτυχία.

Την ίδια περίοδο ο Αϊνστάιν δεν μπορούσε επίσης να αποδεχθεί, ούτε ίσως και να κατανοήσει καν, τις νέες ανακαλύψεις που έκανα άλλοι νεότεροι ερευνητές στο εσωτερικό του ατόμου. Με πρωτοπόρους σ’ αυτή την αναζήτηση τους φυσικούς Νιλς Μπορ (1885~1962), Πολ Ντιράκ (1902~1984), Βέρνερ Χαϊζενμπέργκ (1901~1976) και Έρβιν Στρόντιγκερ (1887~1961), οι νέες έρευνες εισχώρησαν βαθιά στο εσωτερικό του ατόμου και στα σωματίδια από τα οποία αποτελείται και ανακάλυψαν ότι οι θεωρίες του Μάξγουελ και του Αϊνστάιν δεν βοηθούσαν καθόλου στην επεξήγηση της παράξενης συμπεριφοράς των υποατομικών σωματιδίων. Προς τα τέλη της δεκαετίας του 1920 οι νεαροί αυτοί ερευνητές είχαν δημιουργήσει έναν καινούργιο κλάδο στην Φυσική που είναι σήμερα γνωστός με την ονομασία Κβαντική Μηχανική. Έναν κλάδο που, ακόμη και σήμερα, μοιάζει περισσότερο με επιστημονική φαντασία και αντιτίθεται στις αντιλήψεις της λεγόμενης κοινής λογικής.

Τα τελευταία 80 χρόνια η Κβαντομηχανική, σε όλα μας τα πειράματα, έχει αποδείξει με επιτυχία την πραγματικότητα των παράξενων συνθηκών που επικρατούν στο μικρόκοσμο των υποατομικών σωματιδίων. Παρ’ όλα αυτά κανείς, όσο ειδήμων κι αν είναι, δεν υποστηρίζει ότι βαθιά μέσα στο μυαλό του μπορεί να κατανοήσει πλήρως όσα συμβαίνουν εκεί, ούτε να προβλέψει το αποτέλεσμα ενός πειράματος, αλλά απλώς να υπολογίσει τις πιθανότητες κάποιου αποτελέσματος. Κι ενώ η θεωρία του Αϊνστάιν παρουσιάζει ένα Σύμπαν προβλέψιμο, στα βάθη του ατόμου η Κβαντομηχανική βασίζεται στην απροσδιοριστία και τις πιθανότητες, κάτι που οδήγησε τον διαφωνούντα Αϊνστάιν να δηλώσει ότι στο Σύμπαν “…ο Θεός δεν μπορεί να παίζει ζάρια.”

Κι όμως αυτή είναι η πραγματικότητα που επικρατεί στον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων, κάτι που αποδεικνύεται καθημερινά, αφού χωρίς την ύπαρξη του θεωρητικού υπόβαθρου της Κβαντομηχανικής δεν θα υπήρχε καμιά από τις χιλιάδες των ηλεκτρονικών συσκευών που διαθέτουμε σήμερα: τα κινητά τηλέφωνα και οι υπολογιστές, τα λέιζερ στην ιατρική, την επικοινωνία και την ψυχαγωγία και οι χιλιάδες εφαρμογές τους. Χρησιμοποιούμε, δηλαδή, την Κβαντομηχανική καθημερινά, είτε το ξέρουμε είτε όχι, είτε την καταλαβαίνουμε είτε όχι. Κι εκεί μέσα, στα βάθη του ατόμου, οι ερευνητές εντόπισαν δύο νέες δυνάμεις, άσχετες με την βαρύτητα και τον ηλεκτρομαγνητισμό. Επρόκειτο για τις δύο πυρηνικές δυνάμεις, την ισχυρή και την ασθενή.

Η σύγχρονη αντίληψη που έχουμε για την Φυσική τα τελευταία περίπου 40 χρόνια βασίζεται σε ένα μοντέλο μιας σειράς εξισώσεων στις οποίες ο Νομπελίστας φυσικός Στίβεν Γουάινμπεργκ έδωσε την ονομασία “Καθιερωμένο Πρότυπο”. Το μοντέλο αυτό περιγράφει με αρκετή σαφήνεια τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης και τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις (δυνάμεις) που καθορίζουν την συμπεριφορά τους. Σύμφωνα με αυτό το πρότυπο, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφορετικών σωματιδίων ύλης οφείλονται στην ανταλλαγή “σωματιδίων-φορέων” της κάθε δύναμης, τα οποία ονομάζονται “μποζόνια” και μεταφέρουν διακριτά ποσά ενέργειας από το ένα σωματίδιο ύλης στο άλλο. Κάθε δύναμη έχει και τα δικά της χαρακτηριστικά μποζόνια: τα φωτόνια για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, τα γλοιόνια για την ισχυρή και τα μποζόνια W και Ζ για την ασθενή.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο, αποτέλεσμα των δυνατοτήτων που μας παρέχει σήμερα η Κβαντομηχανική, αναπτύχθηκε στις αρχές του 1970 και ενοποιεί την ηλεκτρασθενή θεωρία και την κβαντική χρωμοδυναμική σε μια κβαντική θεωρία πεδίου που είναι συνεπής με τις απαιτήσεις της Κβαντομηχανικής και της Γενικής Σχετικότητας. Μέχρι σήμερα οι διάφορες προβλέψεις της θεωρίας αυτής έχουν επιβεβαιωθεί πλήρως από τα διάφορα πειράματα που έχουν γίνει, δεν έχει όμως κατορθώσει να ενσωματώσει, μεταξύ άλλων και την τέταρτη θεμελιώδη αλληλεπίδραση της βαρύτητας. Ίσως τα πειράματα στο CERN, το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής στην Ελβετία, καθώς και η εξέλιξη της επονομαζόμενης και “θεωρίας-Μ” των υπερχορδών, να μας αποκαλύψουν σύντομα το δρόμο για την πλήρη ενοποίηση των θεμελιωδών δυνάμεων σε μία και μοναδική “Θεωρία των Πάντων”.

Του Διονύση Π. Σιμόπουλου, διευθυντή του Ευγενιδείου Πλανηταρίου. Από το "γεωτρόπιο" , τεύχος Νο 420, εβδομαδιαίο περιοδικό, ένθετο στην «Ελευθεροτυπία» του Σαββάτου, 3 Μαΐου 2008.